環(huán)保型冷軋硅鋼乳化液的研制及其摩擦學(xué)性能研究

李 巖，孫建林，陳婧玥

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

環(huán)保型冷軋硅鋼乳化液的研制及其摩擦學(xué)性能研究

李 巖，孫建林，陳婧玥

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

采用環(huán)保型基礎(chǔ)油和添加劑研制一種環(huán)保型高潤(rùn)滑性能冷軋硅鋼乳化液，對(duì)其摩擦學(xué)性能和潤(rùn)滑性能進(jìn)行考察，并與KD型商用乳化液的性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，與KD型商用乳化液相比，環(huán)保型乳化液的摩擦學(xué)性能明顯提高，環(huán)保型乳化液潤(rùn)滑下冷軋硅鋼板的最小可軋厚度降低了13.3%，軋后板形及硅鋼表面質(zhì)量也更為理想，同時(shí)，環(huán)保型乳化液還具有良好的退火清凈性。綜合分析可知，環(huán)保型乳化液更適合在高速冷軋硅鋼生產(chǎn)中使用。

冷軋硅鋼 環(huán)保型乳化液 添加劑 最小可軋厚度 工藝潤(rùn)滑

高速冷軋硅鋼生產(chǎn)過(guò)程中，工藝潤(rùn)滑可以減小軋制過(guò)程中的摩擦，降低軋輥磨損，對(duì)硅鋼軋后表面質(zhì)量及板形也有較大的影響[1]。由于硅鋼材質(zhì)較硬，冷軋過(guò)程中變形抗力大，隨著變形的進(jìn)行變形抗力不斷增大，軋制變形區(qū)溫度急劇升高，致使變形區(qū)理化條件惡化。當(dāng)軋制速率超過(guò)1 200 m/min時(shí)，極易造成變形區(qū)潤(rùn)滑失效，軋輥黏結(jié)帶鋼，影響帶鋼軋后表面質(zhì)量且加速軋輥磨損[2-3]。傳統(tǒng)型乳化液由于添加了含硫、磷、氯等元素的添加劑，生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味，并且這些添加劑的降解性不佳，會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，愈來(lái)愈關(guān)注軋制過(guò)程中潤(rùn)滑劑泄露及潤(rùn)滑劑廢液的后期處理問題。按照德國(guó)“藍(lán)色天使”規(guī)定，綠色環(huán)保型乳化油本身應(yīng)具有良好的生物降解能力(大于20%)，不含致癌物、致基因誘變和畸變物及磷、硫和氯，其本身及最終產(chǎn)物的生態(tài)毒性和累積毒性低[4-5]。本課題通過(guò)篩選生物降解性較好的基礎(chǔ)油及添加劑，制備環(huán)保型冷軋硅鋼乳化液，并采用四輥可逆式冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)對(duì)其潤(rùn)滑性能進(jìn)行測(cè)試。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 環(huán)保型乳化油的制備

環(huán)保型乳化油的主要成分包括基礎(chǔ)油、抗氧劑、防銹劑、極壓劑等。通過(guò)將基礎(chǔ)油及添加劑加熱至80 ℃恒溫?cái)嚢?0 min，再加入乳化劑并將溫度調(diào)至60 ℃攪拌10 min，最后加入助乳化劑并將溫度調(diào)至50 ℃恒溫?cái)嚢?0 min，制成乳化油。

1.2MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)

在MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，采用GB/T 12583—1998方法，評(píng)價(jià)環(huán)保型乳化液和KD型商用乳化液的最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB)。并在載荷為392 N、轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的條件下，進(jìn)行60 min的長(zhǎng)磨試驗(yàn)，確定其平均摩擦系數(shù)，分析鋼球磨斑形貌和直徑，綜合評(píng)價(jià)乳化液的摩擦學(xué)性能[6]。

1.3 冷軋工藝潤(rùn)滑試驗(yàn)

采用型號(hào)為JZQ500-23的四輥可逆式冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)，對(duì)環(huán)保型乳化液和KD型商用乳化液進(jìn)行冷軋工藝潤(rùn)滑試驗(yàn)。冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為36 r/min，試驗(yàn)材料是厚度為1.2 mm無(wú)取向硅鋼板。冷軋?jiān)囼?yàn)前分別用浸有丙酮的脫脂棉擦洗上下輥面，并用醫(yī)用脫脂棉擦干。軋制試驗(yàn)前，先將乳化液均勻噴射到軋輥上并空轉(zhuǎn)幾周，待乳化液均勻分布到輥面后，再進(jìn)行軋制試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)保型冷軋乳化液的研制

2.1.1基礎(chǔ)油篩選傳統(tǒng)型冷軋乳化液的基礎(chǔ)油主要采用動(dòng)植物油與礦物油，盡管動(dòng)植物油的生物降解性較好[7-8](降解率為70%～100%)，但實(shí)際使用過(guò)程中暴露了許多弊病，其中一點(diǎn)就是使用過(guò)程中乳化液容易變質(zhì)發(fā)臭。這是由于動(dòng)植物油脂中含有不飽和雙鍵，容易氧化變質(zhì)，同時(shí)也易膠結(jié)聚合，不適合不經(jīng)脫脂處理實(shí)現(xiàn)光亮退火的工藝。通過(guò)對(duì)比不同基礎(chǔ)油的生物降解率(見表1)，最終選擇降解率為90%的季戊四醇四辛酸酯和合成酯作為基礎(chǔ)油。

表1 幾種基礎(chǔ)油生物降解率[9]

2.1.2極壓劑篩選由于硅鋼冷軋生產(chǎn)過(guò)程中變形抗力大，同時(shí)對(duì)軋后表面質(zhì)量要求高，因此對(duì)乳化液的極壓性能提出了較高的要求。傳統(tǒng)型乳化液一般添加硫、磷元素含量較高的潤(rùn)滑添加劑，其廢液易對(duì)環(huán)境造成污染。環(huán)境友好型潤(rùn)滑添加劑，除了要具有良好的使用性能，還應(yīng)無(wú)生態(tài)毒性、對(duì)環(huán)境無(wú)毒害作用、可降解以及不妨礙基礎(chǔ)油的生物降解性能。有機(jī)硼酸酯是一類性能優(yōu)良的環(huán)境友好型潤(rùn)滑添加劑，并且具有良好的減摩抗磨、抗氧化和抗腐蝕性能[10-13]。含氮硼酸酯(BECN)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖1。

圖1 含氮硼酸酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

運(yùn)用MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，考察BECN和傳統(tǒng)含硫、磷元素添加劑的摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)所選用的基礎(chǔ)油為季戊四醇四辛酸酯和合成酯，乳化劑為Span-80(分析純)和Tx-7，潤(rùn)滑添加劑包括傳統(tǒng)潤(rùn)滑添加劑磷酸三甲酚脂(T306，分析純)、硫化蓖麻油(SCO，分析純)和BECN。表2為添加不同潤(rùn)滑添加劑的乳化液(乳化油體積分?jǐn)?shù)為2%)的摩擦學(xué)性能參數(shù)。從表2可知：添加BECN的乳化液與無(wú)潤(rùn)滑添加劑的乳化液相比，PB值提高了48.03%，摩擦系數(shù)(μ)降低了30.61%，磨斑直徑(WSD)降低了24.13%；與添加T306的乳化液相比，PB值提高了28.40%，μ降低了20.00%，WSD降低了18.51%；與添加SCO的乳化液相比，PB值提高了13.19%，μ降低了18.07%，WSD降低了13.72%。綜合分析可知，添加BECN的乳化液表現(xiàn)出最優(yōu)異的綜合摩擦學(xué)性能，因此選擇BECN作為極壓劑。

表2 添加不同潤(rùn)滑添加劑的乳化液的摩擦學(xué)性能

2.1.3乳化液的制備及其理化性能分析采用季戊四醇四辛酸酯和合成脂類為基礎(chǔ)油，添加BECN極壓劑、Tx-7乳化劑、2，6二叔丁基對(duì)甲酚抗氧劑，制備環(huán)保型乳化油。硅鋼板材高速生產(chǎn)過(guò)程中使用的乳化液是將乳化油與去離子水經(jīng)機(jī)械攪拌而成的水包油型乳化液，乳化油體積分?jǐn)?shù)通常為2%～5%。乳化液的理化性能不僅影響軋后硅鋼表面清凈性，還影響軋后硅鋼表面質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)控制好乳化液的理化性能指標(biāo)。表3為乳化油體積分?jǐn)?shù)為2%的環(huán)保型乳化液和KD型商用型乳化液的主要理化性能指標(biāo)。

表3 乳化液的主要理化性能指標(biāo)

皂化值反映的是乳化液中活性油的含量，活性油是潤(rùn)滑劑的有效成分。通常皂化值越高，乳化油的潤(rùn)滑性能越好，但是軋后帶鋼退火清凈性會(huì)隨之變差，因此需要保證其在合理的數(shù)值范圍內(nèi)。

2.2 乳化液性能評(píng)定

2.2.1摩擦學(xué)性能選用MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 12583—1998方法，考察環(huán)保型乳化液的摩擦學(xué)性能，并與KD型商用乳化液進(jìn)行對(duì)比。

圖2 不同潤(rùn)滑條件下EVO 18掃描電鏡觀測(cè)到的鋼球磨斑形貌

圖2為不同潤(rùn)滑條件下EVO 18掃描電鏡觀測(cè)到的鋼球磨斑形貌。由圖2可知：KD型商用乳化液潤(rùn)滑下的鋼球磨痕較深且不均勻，磨斑區(qū)有明顯磨粒磨損[圖2(c)]，并且在磨斑區(qū)還發(fā)現(xiàn)了微裂紋缺陷[圖2(d)]，磨斑區(qū)發(fā)現(xiàn)的磨粒磨損是由于在四球試驗(yàn)中潤(rùn)滑油膜發(fā)生了局部破裂，導(dǎo)致鋼球表面直接接觸所致，微裂紋缺陷主要是高速摩擦過(guò)程中脫落的鐵粉顆粒對(duì)鋼球表面產(chǎn)生的劃傷；環(huán)保型乳化液潤(rùn)滑下的鋼球磨痕均勻平整，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的表面缺陷，磨斑直徑也比KD型商用乳化液潤(rùn)滑下的小。

為了更直觀地觀測(cè)磨斑形貌，采用LEXT ols4000激光共聚焦顯微鏡對(duì)鋼球磨斑進(jìn)行三維形貌觀測(cè)，結(jié)果見圖3。由圖3可知：KD型商用乳化液潤(rùn)滑下的鋼球磨斑表面起伏明顯，且伴有犁削劃痕，這表明試驗(yàn)過(guò)程中KD型商用乳化液的潤(rùn)濕性不佳，導(dǎo)致鋼球在高速摩擦過(guò)程中發(fā)生了直接接觸；而環(huán)保型乳化液潤(rùn)滑下的鋼球磨斑表面規(guī)整，無(wú)明顯缺陷，其潤(rùn)滑效果優(yōu)于KD型商用乳化液。

2.2.2退火清凈性退火清凈性試驗(yàn)選用厚度為1.2 mm的無(wú)取向硅鋼板為基礎(chǔ)，規(guī)格為40 mm×40 mm，用一次性注射器分別滴一滴KD型乳化液和環(huán)保型乳化液，通過(guò)SK10-13管式實(shí)驗(yàn)電阻爐對(duì)其退火清凈性進(jìn)行試驗(yàn)分析。退火工藝采用實(shí)際生產(chǎn)工藝，溫度為950 ℃，保溫時(shí)間15 min，采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，退火后空冷至室溫。圖4為KD型商用乳化液及環(huán)保型乳化液退火后硅鋼的表面形貌。

圖3 不同潤(rùn)滑條件下鋼球磨斑的三維形貌

圖4 KD型商用乳化液和環(huán)保型乳化液退火后硅鋼的表面形貌

由圖4可知：由于KD型商用乳化液的基礎(chǔ)油通常采用動(dòng)物油或礦物油，致使其退火清凈性較差，退火后硅鋼表面有明顯的乳化液殘留，且表面整體呈黑褐色；環(huán)保型乳化液退火后的硅鋼表面光潔度較好，沒有發(fā)現(xiàn)乳化液殘留，表明其具有良好的退火清凈性。

2.2.3冷軋工藝潤(rùn)滑效果在四輥可逆冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行最小可軋厚度測(cè)試，檢驗(yàn)環(huán)保型乳化液及KD型商用乳化液的冷軋工藝潤(rùn)滑效果，如表4所示。從表4可知，采用環(huán)保型乳化液進(jìn)行工藝潤(rùn)滑的硅鋼板的最小可軋厚度為0.39 mm，比使用KD型商用乳化液潤(rùn)滑時(shí)降低了13.3%。這表明環(huán)保型乳化液不僅可以提升軋機(jī)的軋制力，還能降低軋制過(guò)程中的力能消耗(軋制力、軋制力矩)。

表4 不同潤(rùn)滑條件下無(wú)取向硅鋼板每道次軋后厚度 mm

圖5為不同潤(rùn)滑條件下無(wú)取向硅鋼板的軋后表面形貌。由圖5可知：無(wú)潤(rùn)滑軋制時(shí)，由于軋輥與帶鋼直接接觸，致使軋后硅鋼表面的軋制紋理紊亂，黑色斑塊區(qū)是因?yàn)轲ぶp所致；采用KD型商用乳化液潤(rùn)滑時(shí)，硅鋼表面的軋制紋理較為清晰，但局部區(qū)域還是有黏著磨損跡象，這說(shuō)明軋件在軋制過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱和塑性變形熱使變形區(qū)溫度急劇升高，造成變形區(qū)局部潤(rùn)滑失效，使帶鋼與軋輥直接接觸，導(dǎo)致黏著磨損；采用環(huán)保型乳化液潤(rùn)滑時(shí)，硅鋼表面的軋制紋理清晰，表面形貌規(guī)整。

圖5 不同潤(rùn)滑條件下無(wú)取向硅鋼板的軋后表面形貌

綜合分析可知，環(huán)保型乳化液不僅具有較高的可生物降解率，在生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味，其摩擦學(xué)性能也優(yōu)于傳統(tǒng)的KD型乳化液，并且具有良好的退火清凈性，符合現(xiàn)代高速冷軋硅鋼生產(chǎn)的需要。

3 結(jié) 論

(1) 環(huán)保型乳化液采用降解率高的戊四醇四辛酸酯和合成脂類作為基礎(chǔ)油、含氮硼酸酯作為極壓劑，試驗(yàn)表明其具有良好的摩擦學(xué)性能和退火清凈性。

(2) 冷軋工藝潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)果表明，使用環(huán)保型乳化液時(shí)最小可軋厚度為0.39 mm，比使用KD商用型乳化液時(shí)降低了13.3%，說(shuō)明環(huán)保型乳化液不僅可以提升軋機(jī)的軋制力，還能降低軋制過(guò)程中的力能消耗(軋制力、軋制力矩)，滿足高速冷軋硅鋼生產(chǎn)的需要。

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DEVELOPMENTOFENVIRONMENTALLYFRIENDLYEMULSIONFORCOLD-ROLLEDSILICONSTEELANDITSTRIBOLOGICALPROPERTIES

Li Yan， Sun Jianlin， Chen Jingyue

(SchoolofMaterialScienceandEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083)

Enviromentally friendly silicon steel rolling emulsion with high lubricating property was developed using environmentally friendly base oil and additives. The lubricating performance was analyzed by MRS-10A four-ball tester and 4-high cold-rolling mil and compared with the KD traditional emulsion. The results show that relative to the traditional KD emulsion， the developed cold-rolling emulsion shows a higher lubricating performance， a better annealing cleanliness， and that the minimum rolling thickness is decreased by 13.3%. After rolling， silicon steel strip shape and surface quality is more ideal. It is concluded that the developed enviromental emulsion can meet the need of the high speed silicon steel cold- rolling process.

cold-rolled silicon steel； environmentally friendly emulsion； additives； minimum rolling thickness； process lubrication

2014-09-22；修改稿收到日期： 2015-01-20。

李巖，博士研究生，主要從事冷軋板帶鋼新技術(shù)、金屬軋制過(guò)程中的摩擦磨損與工藝潤(rùn)滑研究工作。

孫建林，E-mail：sjl@ustb.edu.cn。